Eletromagnetismo

Eletromagnetismo, na física, é uma interação que ocorre entre partículas com carga elétrica por meio de campos eletromagnéticos. A força eletromagnética é uma das quatro forças fundamentais da natureza. É a força dominante nas interações de átomos e moléculas. O eletromagnetismo pode ser pensado como uma combinação de eletrostática e magnetismo, dois fenômenos distintos, mas intimamente interligados. As forças eletromagnéticas ocorrem entre quaisquer duas partículas carregadas, causando uma atração entre partículas com cargas opostas e repulsão entre partículas com a mesma carga, enquanto o magnetismo é uma interação que ocorre exclusivamente entre partículas carregadas em movimento relativo. Esses dois efeitos se combinam para criar campos eletromagnéticos nas proximidades de partículas carregadas, que podem acelerar outras partículas carregadas por meio da força de Lorentz. Em alta energia, a força fraca e a força eletromagnética são unificadas como uma única força eletrofraca.

A força eletromagnética é responsável por muitos dos fenômenos químicos e físicos observados na vida cotidiana. A atração eletrostática entre os núcleos atômicos e seus elétrons mantém os átomos juntos. As forças elétricas também permitem que diferentes átomos se combinem em moléculas, incluindo as macromoléculas, como as proteínas que formam a base da vida. Enquanto isso, as interações magnéticas entre os momentos magnéticos de  e momento angular dos elétrons também desempenham um papel na reatividade química; tais relações são estudadas na . O eletromagnetismo também desempenha um papel crucial na tecnologia moderna: produção, transformação e distribuição de energia elétrica; produção e detecção de luz, calor e som; fibra ótica e comunicação sem fio, sensores; computação; eletrólise; galvanoplastia; e motores e atuadores mecânicos.

O eletromagnetismo tem sido estudado desde os tempos antigos. Muitas civilizações antigas, incluindo os gregos e os maias, criaram teorias abrangentes para explicar raios, eletricidade estática e a atração entre pedaços magnetizados de minério de ferro. No entanto, não foi até o final do século XVIII que os cientistas começaram a desenvolver uma base matemática para entender a natureza das interações eletromagnéticas. Nos séculos XVIII e XIX, cientistas e matemáticos proeminentes como Coulomb, Gauss e Faraday desenvolveram leis homônimas que ajudaram a explicar a formação e a interação dos campos eletromagnéticos. Este processo culminou na década de 1860 com a descoberta das equações de Maxwell, um conjunto de quatro equações diferenciais parciais que fornecem uma descrição completa dos campos eletromagnéticos clássicos. Além de fornecer uma base matemática sólida para as relações entre eletricidade e magnetismo que os cientistas vêm explorando há séculos, as equações de Maxwell também preveem a existência de ondas eletromagnéticas autossustentáveis. Maxwell postulou que tais ondas constituem a luz visível, o que mais tarde se provou verdadeiro. De fato, raios gama, raios X, radiação ultravioleta, visível, infravermelha, micro-ondas e ondas de rádio foram todos determinados como sendo radiação eletromagnética diferindo apenas em sua faixa de frequências.

Na era moderna, os cientistas continuaram a refinar o teorema do eletromagnetismo para levar em conta os efeitos da física moderna, incluindo a mecânica quântica e a relatividade. De fato, as implicações teóricas do eletromagnetismo, particularmente o estabelecimento da velocidade da luz com base nas propriedades do "meio" de propagação (permeabilidade e permissividade), ajudaram a inspirar a teoria da relatividade especial de Einstein em 1905. Enquanto isso, o campo da eletrodinâmica quântica (E.D.Q.)  modificou as equações de Maxwell para serem consistentes com a natureza quantizada da matéria. Na eletrodinâmica quântica (E.D.Q.), o campo eletromagnético é expresso em termos de partículas discretas conhecidas como fótons, que também são os quanta físicos da luz. Hoje, existem muitos problemas no eletromagnetismo que permanecem sem solução, como a existência de monopolos magnéticos e o mecanismo pelo qual alguns organismos podem sentir campos elétricos e magnéticos.

História

Mundo antigo 
A investigação dos fenômenos eletromagnéticos começou há 5.000 anos. Há evidências de que os antigos chineses, maias, A descrição declarou:

Um comerciante em Wakefield em Yorkshire, tendo colocado um grande número de facas e garfos em uma grande caixa... e tendo colocado a caixa no canto de uma grande sala, aconteceu uma repentina tempestade de trovões, relâmpagos, etc. ... O proprietário esvaziando a caixa em um balcão onde estavam alguns pregos, as pessoas que pegaram as facas, que deitaram nos pregos, observaram que as facas pegaram os pregos. Nisso todo o número foi testado e descobriu-se que fazia o mesmo, e isso, a ponto de pegar pregos grandes, agulhas de embalagem e outras coisas de ferro de peso considerável ...

E. T. Whittaker sugeriu em 1910 que este evento particular foi responsável por um raio ser "creditado com o poder de magnetizar o aço; e foi sem dúvida isso que levou Franklin em 1751 a tentar magnetizar uma agulha de costura por meio da descarga de frascos de Leyden."

Forças fundamentais 

A força eletromagnética é a segunda mais forte das quatro forças fundamentais conhecidas. Ela opera com alcance infinito. As outras forças fundamentais são:

 a força nuclear forte, que liga quarks para formar núcleons e liga núcleons para formar núcleos; é a mais forte das quatro forças fundamentais conhecidas, mas opera apenas em curto alcance;

 a força nuclear fraca, que se liga a todas as partículas conhecidas no Modelo padrão e causa certas formas de decaimento radioativo; é a segunda mais fraca das quatro forças fundamentais e opera apenas em curto alcance; a interação eletrofraca é a descrição unificada do eletromagnetismo e a interação fraca;

a força gravitacional é a única das quatro forças fundamentais que não faz parte do Modelo padrão da física de partículas. Ela é a mais fraca das quatro forças fundamentais, no entanto, ela opera em alcance infinito.

Todas as outras forças (por exemplo, fricção, forças de contato) são derivadas dessas quatro forças fundamentais e são conhecidas como .

Grosso modo, todas as forças envolvidas nas interações entre os átomos podem ser explicadas pela força eletromagnética atuando entre os núcleos atômicos eletricamente carregados e os elétrons dos átomos. As forças eletromagnéticas também explicam como essas partículas carregam momento por meio de seu movimento. Isso inclui as forças que experimentamos ao "empurrar" ou "puxar" objetos materiais comuns, que resultam das forças intermoleculares que agem entre as moléculas individuais de nossos corpos e as dos objetos. A força eletromagnética também está envolvida em todas as formas de fenômenos químicos.

Uma parte necessária da compreensão das forças intraatômicas e intermoleculares é a força efetiva gerada pelo momento do movimento dos elétrons, de modo que, à medida que os elétrons se movem entre os átomos em interação, eles carregam o momento com eles. À medida que uma coleção de elétrons se torna mais confinada, seu momento mínimo aumenta necessariamente devido ao princípio de exclusão de Pauli. O comportamento da matéria na escala molecular, incluindo sua densidade, é determinado pelo equilíbrio entre a força eletromagnética e a força gerada pela troca de momento realizada pelos próprios elétrons.

Eletrodinâmica clássica 

Em 1600, William Gilbert propôs, em seu De magnete, que a eletricidade e o magnetismo, embora ambos fossem capazes de causar atração e repulsão de objetos, eram efeitos distintos.  Os marinheiros notaram que os raios tinham a capacidade de perturbar a agulha de uma bússola. A ligação entre raios e eletricidade não foi confirmada até que os experimentos propostos por Benjamin Franklin em 1752 fossem conduzidos em 10 de maio de 1752 por Thomas-François Dalibard da França usando uma barra de ferro de 12 m de altura em vez de uma pipa e ele extraiu com sucesso faíscas elétricas de uma nuvem.

Uma das peculiaridades do eletromagnetismo clássico é que é difícil de conciliar com a mecânica clássica, mas é compatível com a relatividade restrita. De acordo com as equações de Maxwell, a velocidade da luz no vácuo é uma constante universal que depende apenas da permissividade elétrica e da permeabilidade magnética do espaço livre. Isso viola a invariância de Galileu, uma pedra angular de longa data da mecânica clássica. Uma forma de conciliar as duas teorias (eletromagnetismo e mecânica clássica) é assumir a existência de um éter luminífero através do qual a luz se propaga. No entanto, esforços experimentais subsequentes falharam em detectar a presença do éter. Após importantes contribuições de Hendrik Lorentz e Henri Poincaré, em 1905, Albert Einstein resolveu o problema com a introdução da relatividade especial, que substituiu a cinemática clássica por uma nova teoria da cinemática compatível com o eletromagnetismo clássico. (Para obter mais informações, consulte História da relatividade especial.)

Além disso, a teoria da relatividade implica que em quadros de referência em movimento, um campo magnético se transforma em um campo com um componente elétrico diferente de zero e, inversamente, um campo elétrico em movimento se transforma em um componente magnético diferente de zero, mostrando assim firmemente que os fenômenos são dois lados da mesma moeda. Daí o termo "eletromagnetismo". (Para obter mais informações, consulte Eletromagnetismo clássico e relatividade especial e .)

Extensão para fenômenos não lineares 

As equações de Maxwell são lineares, pois uma mudança nas fontes (as cargas e correntes) resulta em uma mudança proporcional dos campos. A dinâmica não linear pode ocorrer quando os campos eletromagnéticos se acoplam à matéria que segue as leis dinâmicas não lineares. Isso é estudado, por exemplo, no assunto de magnetohidrodinâmica, que combina a teoria de Maxwell com as equações de Navier – Stokes.

Quantidades e unidades 

Aqui está uma lista de unidades comuns relacionadas ao eletromagnetismo:

 ampere (corrente elétrica)
 coulomb (carga elétrica)
 farad (capacitância)
 henry (indutância)
 ohm (resistência)
 siemens (condutância)
 tesla (densidade do fluxo magnético)
 volt (potencial elétrico)
 watt (potência)
 weber (fluxo magnético)

No sistema C.G.S. eletromagnético, a corrente elétrica é uma quantidade fundamental definida pela lei de Ampere e considera a permeabilidade como uma quantidade adimensional (permeabilidade relativa) cujo valor no vácuo é a unidade. Como consequência, o quadrado da velocidade da luz aparece explicitamente em algumas das equações que relacionam quantidades neste sistema.

As fórmulas para as leis físicas do eletromagnetismo (como as equações de Maxwell) precisam ser ajustadas dependendo do sistema de unidades usado. Isso ocorre porque não há correspondência biunívoca entre as unidades eletromagnéticas do S.I. e as do C.G.S., como é o caso das unidades mecânicas. Além disso, dentro do C.G.S., existem várias opções plausíveis de unidades eletromagnéticas, levando a diferentes "subsistemas" de unidade, incluindo , "ESU", "EMU" e Heaviside – Lorentz. Entre essas opções, as unidades gaussianas são as mais comuns hoje em dia e, de fato, a frase "unidades C.G.S." é frequentemente usada para se referir especificamente às unidades C.G.S. – Gaussianas.

Aplicações 

O estudo do eletromagnetismo informa a construção de circuitos elétricos e dispositivos semicondutores.

Ver também 

 Eletroímã
 Eletromagnetismo relativístico
 Eletromecânica
 Experiência da dupla fenda
 Geofísica
 Indução eletromagnética
 Levantamento aeromagnético
 Magnetostática
 Modelo eletromagnético
 Óptica
 Teoria do absorvedor de Wheeler e Feynman

Notas

Leitura adicional

Fontes da web

Livros didáticos

Abrangência geral

Ligações externas 

 Conversor de força de campo magnético (em inglês)
 Força eletromagnética (em inglês) - do Mundo da física de Eric Weisstein